DE10025491C2 - Elektromagnetischer Aktuator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE-OS 23 35 150 ist ein gattungsbildender Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine bekannt. Ein Solenoidgehäuse bildet einen topfförmigen Spulen­ kern für einen Schließmagneten und einen topfförmigen Spulen­ kern für einen Öffnungsmagneten, wobei die Spulenkerne über einen Steg, der einen kleineren Durchmesser aufweist als die Spulenkerne, einstückig miteinander verbunden sind. Im Inneren der topfförmigen Spulenkerne ist jeweils eine Spule angeord­ net.

Das Solenoidgehäuse bzw. die Spulenkerne und ein Ventilgehäuse bilden zwischen sich einen Ringraum einer Kühlvorrichtung aus, in dem Kühlwasser durch eine Zufuhrleitung eingeführt und aus dem das Kühlwasser durch eine Auslaßleitung abgezogen wird. Das Solenoidgehäuse bzw. die Spulenkerne werden damit zur Bil­ dung von Kühlkanälen genutzt.

Ferner ist aus der DE 197 14 496 A1 ein elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils einer Brenn­ kraftmaschine bekannt. In einem Aktuatorgehäuse sind ein Öff­ nungsmagnet und ein Schließmagnet mit jeweils einer auf einen Spulenkern aufgewickelten Magnetspule angeordnet. Die Magnete wirken auf einen in Ventilachsrichtung bewegbaren Anker. Fer­ ner besitzt der Aktuator eine Kühlvorrichtung mit einem im Ak­ tuatorgehäuse verlaufenden Kühlkanal. Der Kühlkanal ist durch Bohrungen im Aktuatorgehäuse hergestellt. Durch den Kühlkanal kann Kühlflüssigkeit geführt werden, ohne daß diese mit den Magnetspulen und den Spulenkernen direkt in Kontakt kommt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsbilden­ den Aktuator weiterzuentwickeln, und insbesondere mit einer konstruktiv einfachen und flexibel anwendbaren Lösung die Wär­ meabfuhr zu verbessern.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen erge­ ben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung geht aus von einem elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine, der zumindest einen Elektromagneten mit einem Spulenkern und einer Magnetspule sowie eine Kühlvorrichtung mit zumindest einem Kühlkanal aufweist.

Es wird vorgeschlagen, daß an einem die Magnetspule tragenden Spulenträger, der von einem zum Spulenkern getrennten Bauteil gebildet ist, zumindest ein Kühlkanal angeordnet ist. Eine von der Magnetspule entstehende Wärme kann über eine große Über­ tragungsfläche an den Spulenträger und insgesamt über einen besonders kurzen Weg an ein Kühlmittel abgeführt werden. Es kann eine geringe Magnetspulentemperatur und ein hoher Wir­ kungsgrad des Elektromagneten bzw. des Aktuators erreicht wer­ den. Der Spulenträger mit dem Kühlkanal kann in verschiedenen Standardaktuatorgehäusen eingesetzt bzw. kann flexibel und einfach an verschiedene Aktuatoren angepaßt werden. Als Kühl­ mittel wird vorzugsweise Brennkraftmaschinenöl verwendet, das vorteilhaft vor dem Aktuator bzw. vor den Aktuatoren durch ei­ nen speziellen Ölkühler geleitet wird. Möglich ist jedoch auch als Kühlmittel Kühlwasser der Brennkraftmaschine oder ein an­ deres, dem Fachmann als sinnvoll erscheinendes flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel zu verwenden.

Der Kühlkanal kann form-, kraft- und/oder stoffschlüssig an dem Spulenträger befestigt sein, beispielsweise über eine Schweiß- oder über eine Klebeverbindung. Besonders vorteilhaft ist jedoch der Kühlkanal einstückig mit dem Spulenträger aus­ geführt, wodurch eine Wärmeübergangsstelle vermieden und zu­ sätzliche Bauteile, Bauraum, Montageaufwand und Kosten einge­ spart werden können.

Besonders kostengünstig kann dies erreicht werden, indem der Spulenträger von einem Blechteil gebildet ist, und der Kühlka­ nal durch Umformen des Blechteils in dieses eingebracht oder der Spulenträger von einem Strangpreßprofil mit einem den Kühlkanal bildenden rohrförmigen Bereich gebildet ist.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschla­ gen, daß der Spulenträger aus Aluminium oder einer Aluminium­ legierung hergestellt ist, wodurch die Wärme in und durch den Spulenträger besonders vorteilhaft geleitet werden kann. Fer­ ner kann Aluminium oder eine Aluminiumlegierung vorteilhaft in einem Strangpreßverfahren hergestellt werden. Möglich sind je­ doch auch andere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Mate­ rialien, die eine große Wärmeleitfähigkeit besitzen, wie bei­ spielsweise Kupfer, Messing usw. Steht eine hohe elektrische Isolationswirkung im Vordergrund kann der Spulenträger aus Kunststoff gefertigt werden.

Ist der Kühlkanal an zumindest einer Stirnseite der Magnetspu­ le angeordnet, kann trotz Kühlkanal eine platzsparende Wick­ lung mit gutem Wirkungsgrad erreicht werden. Insbesondere kann ein vorhandener Bauraum in Richtung einer Polfläche des Elek­ tromagneten genutzt und ein Kühlkanal mit einem großen Durch­ messer realisiert werden, indem der Kühlkanal an der der Pol­ fläche des Elektromagneten zugewandten Stirnseite angeordnet ist.

Vorteilhaft liegt der Spulenträger an beiden Stirnseiten der Magnetspule an, wodurch eine besonders große Wärmeübertra­ gungsfläche erreicht und von beiden Stirnseiten vorteilhaft Wärme über den Spulenträger abgeführt werden kann. Es können an beiden Stirnseiten Kühlkanäle angeordnet sein. Die Wärme kann jedoch auch vorteilhaft von einer ersten Stirnseite ohne Kühlkanal über den Spulenträger zu einer zweiten Stirnseite mit Kühlkanal geleitet werden, wodurch trotz einer guten Wär­ meabfuhr Bauraum eingespart werden kann. Neben einer Wärmeabfuhr von beiden Stirnseiten, kann ferner ein vorteilhafter, zu drei Seiten begrenzter Aufnahmebereich für die Magnetspule ge­ schaffen werden, in den die Magnetspule einfach und schnell eingebracht werden kann.

Mit einem Blechteil kann dies vorteilhaft erreicht werden, in­ dem dieses zu einem g-Profil und/oder zu einem spiegelbildli­ chen g-Profil geformt wird. Ist ein im wesentlichen senkrech­ ter Schenkel des g-Profils zwischen einem Kopfteil und einem unteren, im wesentlichen waagerechten Schenkel des g-Profils zumindest teilweise doppellagig ausgeführt, kann vorteilhaft durch den doppellagigen Bereich eine Spaltdichtung erreicht und es können zusätzliche Dichtungen oder Vorkehrungen zur Ab­ dichtung des Kühlkanals vermieden werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschla­ gen, daß der Kühlkanal zumindest einmal um ca. 180° umgelenkt ist, wodurch eine große Wärmeübertragungsfläche erreicht wer­ den kann und zudem vorteilhaft pro Elektromagnet das Kühlmit­ tel von einer Seite zugeführt und auf derselben Seite wieder abgeführt werden kann. Es kann ein einfaches Kanalsystem zur Kühlmittelzuführung und Kühlmittelabführung aufgebaut werden. Möglich ist jedoch auch, daß sich ein oder mehrere Kühlkanäle geradlinig oder kurvenförmig durch den Spulenträger erstrec­ ken.

Die erfindungsgemäße Lösung kann bei verschiedenen, dem Fach­ mann als sinnvoll erscheinenden Aktuatoren eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft jedoch bei Aktuatoren mit einem Drehanker, bei denen häufig ein Teil der Magnetspule an einer Außenseite des Spulenkerns verläuft. In diesem Teil der Ma­ gnetspule entstehen aufgrund geringerer Wärmeabführmöglichkeiten höhere Temperaturen, die vorteilhaft durch die erfindungs­ gemäße Lösung gesenkt werden können.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbe­ schreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Er­ findung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche ent­ halten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigt:

Fig. 1 einen schematisch dargestellten Aktuator in einem Längsschnitt,

Fig. 2 einen Ausschnitt eines Spulenträgers aus Fig. 1 schräg von oben,

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2 und

Fig. 4 eine Variante nach Fig. 2.

Fig. 1 zeigt einen elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils 25 einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine. Der Aktuator besitzt eine elektromagneti­ sche Einheit mit zwei Elektromagneten 22, 23, einem Öffnungs­ magneten 23 und einem Schließmagneten 22. Jeder der Elektroma­ gnete 22, 23 besitzt eine auf einem Spulenträger 10, 11 aufge­ wickelte Magnetspule 18, 19 und einen Spulenkern 27, 28 mit zwei Jochschenkeln, die mit ihren Stirnseiten Polflächen 20, 21 bilden. Zwischen den Polflächen 20, 21 ist ein Drehanker 24 um eine Schwenkachse 26 hin und her schwenkbar gelagert. Der Drehanker 24 wirkt über einen Ventilschaft 29 auf das Gaswech­ selventil 25. Der Ventilschaft 29 ist über eine Schaftführung 38 in einem Zylinderkopf 37 der Brennkraftmaschine axial ver­ schiebbar gelagert.

Ferner besitzt der Aktuator einen Federmechanismus mit zwei vorgespannten Ventilfedern 30, 31, und zwar mit einer als Drehstabfeder ausgebildeten, in Öffnungsrichtung 32 wirkenden Ventilfeder 30 und mit einer als Schraubendruckfeder ausgebil­ deten, in Schließrichtung 33 wirkenden Ventilfeder 31. Die Drehstabfeder dient als Lagerstelle des Drehankers 24, stützt sich an einem Aktuatorgehäuseteil 34 ab und wirkt über den Drehanker 24 und über den Ventilschaft 29 auf das Gaswechsel­ ventil 25. Die Schraubendruckfeder stützt sich über eine erste Federauflage 35 am Zylinderkopf 37 ab und wirkt über eine zweite Federauflage 36 und über den Ventilschaft 29 auf das Gaswechselventil 25. Bei nicht erregten Elektromagneten 22, 23 wird der Drehanker 24 durch die Ventilfedern 30, 31 in einer Gleichgewichtslage zwischen den Polflächen 20, 21 der Elektro­ magneten 22, 23 gehalten.

Erfindungsgemäß sind die Spulenträger 10, 11 jeweils von einem Aluminiumblechteil gebildet, in die durch Umformen der Alumi­ niumblechteile jeweils an einer der Polflächen 20, 21 zuge­ wandten Stirnseite 16, 17 der Magnetspulen 18, 19 ein Kühlka­ nal 13, 14 eingebracht ist (Fig. 1, 2 und 3).

Das Aluminiumblechteil ist zu einem g-Profil gebogen, wobei ein senkrechter Schenkel 39 des g-Profils zwischen einem Kopf­ teil 40 und einem unteren waagerechten Schenkel 41 des g- Profils doppellagig ausgeführt ist (Fig. 3). Durch den doppel­ lagigen Bereich und durch eine dadurch entstehende Spaltdich­ tung wird der durch das Kopfteil 40 des g-Profils gebildete Kühlkanal 14 vorteilhaft ohne zusätzliche Dichtungen abgedich­ tet. Ferner ist das g-Profil u-förmig gebogen bzw. ist um 180° umgelenkt, und zwar in der Weise, daß nach außen ein durch das g-Profil gebildeter und durch das Kopfteil 40 und den waage­ rechten Schenkel 41 in senkrechter Richtung begrenzter Aufnah­ mebereich für die Magnetspule 18 und nach innen ein Aufnahme­ bereich für einen Jochschenkel des Spulenkerns 28 entsteht.

Sind die Magnetspulen 18, 19 auf die Spulenträger 10, 11 auf­ gebracht bzw. aufgewickelt, liegen die Spulenträger 10, 11 an beiden Stirnseiten 16, 17, 42, 43 der Magnetspulen 18, 19 an (Fig. 1). Von der dem Kühlkanal 13, 14 gegenüberliegenden Stirnseite 42, 43 der Magnetspulen 18, 19 kann die Wärme vor­ teilhaft über den Spulenträger 10, 11 zum Kühlkanal 13, 14 ab­ geführt werden. Der Bauraum für einen zweiten Kühlkanal wird eingespart.

Wird der Aktuator beim Start aktiviert, wird entweder der Schließmagnet 22 oder der Öffnungsmagnet 23 kurzzeitig überer­ regt oder der Drehanker 24 mit einer Anschwingroutine mit sei­ ner Resonanzfrequenz angeregt, um aus der Gleichgewichtslage angezogen zu werden. In geschlossener Stellung des Gaswechsel­ ventils 25 liegt der Drehanker 24 an der Polfläche 20 des er­ regten Schließmagneten 22 an und wird von diesem gehalten. Der Schließmagnet 22 spannt die in Öffnungsrichtung 32 wirkende Ventilfeder 30 weiter vor. Um das Gaswechselventil 25 zu öff­ nen, wird der Schließmagnet 22 ausgeschaltet und der Öffnungs­ magnet 23 eingeschaltet. Die in Öffnungsrichtung 32 wirkende Ventilfeder 30 beschleunigt den Drehanker 24 über die Gleich­ gewichtslage hinaus, so daß dieser von dem Öffnungsmagneten 23 angezogen wird. Der Drehanker 24 schlägt an die Polfläche 21 des Öffnungsmagneten 23 an und wird von diesem festgehalten. Um das Gaswechselventil 25 wieder zu schließen, wird der Öff­ nungsmagnet 23 ausgeschaltet und der Schließmagnet 22 eingeschaltet. Die in Schließrichtung 33 wirkende Ventilfeder 31 beschleunigt den Drehanker 24 über die Gleichgewichtslage hin­ aus zum Schließmagneten 22. Der Drehanker 24 wird vom Schließ­ magneten 22 angezogen, schlägt auf die Polfläche 20 des Schließmagneten 22 auf und wird von diesem festgehalten.

In Fig. 4 ist ein alternativer Spulenträger 12 dargestellt. Im wesentlichen gleichbleibende Bauteile sind grundsätzlich mit den gleichen Bezugszeichen beziffert. Ferner kann bezüglich gleichbleibender Merkmale und Funktionen auf die Beschreibung zum Ausführungsbeispiel in Fig. 1 bis 3 verwiesen werden. Der Spulenträger 12 besitzt dieselbe Form wie der Spulenträger 11, wird jedoch von einem Strangpreßprofil aus einer Aluminiumle­ gierung mit einem einen Kühlkanal 15 bildenden rohrförmigen Bereich gebildet.

Claims (11)

1. Elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Gaswech­ selventils einer Brennkraftmaschine, der zumindest einen Elek­ tromagneten mit einem Spulenkern und einer Magnetspule sowie eine Kühlvorrichtung mit zumindest einem Kühlkanal aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß an einem die Magnetspule (18, 19) tragenden Spulenträger (10, 11, 12), der von einem vom Spulenkern (27, 28) getrennten Bauteil gebildet ist, zumindest ein Kühlkanal (13, 14, 15) an­ geordnet ist.

2. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkanal (13, 14, 15) einstückig mit dem Spulenträger (10, 11, 12) ausgeführt ist.

3. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenträger (10, 11) von einem Blechteil gebildet und der Kühlkanal (13, 14) durch Umformen des Blechteils in dieses eingebracht ist.

4. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenträger (12) von einem Strangpreßprofil mit einem den Kühlkanal (15) bildenden rohrförmigen Bereich gebildet ist.

5. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenträger (10, 11, 12) aus Aluminium oder einer Alu­ miniumlegierung hergestellt ist.

6. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkanal (13, 14, 15) an zumindest einer Stirnseite (16, 17) der Magnetspule (18, 19) angeordnet ist.

7. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkanal (13, 14, 15) an der einer Polfläche (20, 21) des Elektromagneten (22, 23) zugewandten Stirnseite (16, 17) der Magnetspule (18, 19) angeordnet ist.

8. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenträger (10, 11, 12) an beiden Stirnseiten der Ma­ gnetspule (18, 19) anliegt.

9. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Blechteil zu einem g-Profil und/oder zu einem spiegel­ bildlichen g-Profil geformt und ein im wesentlichen senkrechter Schenkel (39) des g-Profils zwischen einem Kopfteil (40) und einem unteren, im wesentlichen waagerechten Schenkel (41) des g-Profils zumindest teilweise doppellagig ausgeführt ist.

10. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkanal (13, 14, 15) zumindest einmal um ca. 180° um­ gelenkt ist.

11. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (22, 23) auf einen Drehanker (24) wirkt.